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1、煤 炭工程师1 9 9 8 年第 2 期 C OA L E C m No 2 1 9 9 8 一 突出煤层宏观裂隙特征研究 中国矿业大学北京研究生部鄣德勇 平 顶山 煤业( 集团 ) 有限 责 任公司 刘 磊下 焕中 一 7 7 ； 弓 。 究的基础上 ， 探讨 了突出煤层 中裂隙发育规律及其影响因素。 关 键 词 盟 习 亲 一 f 小 l 引 言 分 析 ； 1 ) 晾 方 位 在地质介质 中从流体渗流的角度看岩石 中除了可渗透的孔隙通道外， 还有各种尺度 不同的裂隙、 节理 、 层理 、 破裂面、 断裂面等面 状流体通道 ， 正是这个 原因导致了岩体渗透 率可增长 8 个数量级_ 1 1
2、 ， 因此 ， 对岩石中裂晾 的研究是研究岩石孔隙度 和渗透率的重要组 成部分 油气地质工作者在评价储层的性能 时， 对岩层 中的裂隙特征及发育规律进行 了 广泛研究 2。煤层中裂隙的成 因、 几何特 征 和分布规律 的定量研究 ， 对认识裂晾在瓦斯 运移和富集中的作用及突出预测和煤层气开 发有重要价值， 以平顶山矿区突出煤层为例 ， 对突出煤层 中裂隙的特征及分布规律进行了 如下研究。 2 煤层中裂隙的特征 根据裂隙在煤层中的发育情况可分为个 体结构和系统结构两类 ： 个 体结构是指煤层 中的单个裂隙， 其发育的规律性较差； 系统结 构指 以固定方向产出的裂隙， 成组发育， 往往 几组相互交
3、切形成网状 ， 系统结构裂隙多 为 构造成因。相 比之下后者有较好的连通性 ， 而前者发育广泛， 规模虽小但数量极大 ， 在煤 层孔隙度中占有更大的比重。根据裂隙发育 程度及几何形状特征 ， 从以下六个方面进 行 裂晾方位指裂晾在平 面上 的延伸 方向。 个体结构裂隙由于成因复杂规模小 ， 其 发育 方位规律性差， 从煤层剖面上的统计结果看 ， 个体裂隙没有固定的优选方位 ， 随统计 区段 变化 ， 受工程因素影响严 重。系统结构 裂隙 有明显的优选方位 在给定区域内有一组或 两组相对发育的裂隙， 与矿井构造有 一定几 何组合关系。 ( 2 )裂晾倾角 裂隙倾角指裂隙与水平面的夹角。对不 同煤
4、层中 1 0 0条裂隙倾角的统计表明( 表 1 ) ， 裂晾倾角以大于 6 0 的为主 ， 其原因是煤层中 的裂隙在剖面上能看到的大部分是工程因素 或煤层受压形成 的， 其方 向与上覆地层 的压 力方向近似平行 ， 主要为张裂隙。 裹 1 煤层中裂陬倾角分布统计 维普资讯 煤炭工程师1 9 9 8年第 2期 C OA L E N G 皿R N 0 2 1 9 9 8 ( 3 )裂隙高度 裂 隙高度也就是裂隙在剖面上的切割长 度。根据裂 隙在煤层中的切割情况可分为层 内裂隙和穿层裂 隙。统计表 明， 煤层 中的个 体结构裂隙多 为层 内裂 隙 ， 而以构造成 因为 主的系统结 构裂 隙往往切割长
5、度大 ， 成为穿 层裂隙。由此可见， 构造裂隙使更多的孔隙 相连通 ， 在断层附近构造裂隙发 育的地方造 成煤层瓦斯易于流动和相对富集。 ( 4 )裂隙长度 裂隙长度指裂隙在层面方向的延伸距 离， 统计表明， 剖面上看到的数量很多的个体 结构裂隙长度往往很小 ， 一般在几厘米到 1 m 左右， 而系统裂隙可达几米， 有时达 l o re以 上。煤层中裂隙长度 以某一方向较 为发育 ， 另一组相对不发育。 ( 5 )裂隙宽度 裂隙宽度即裂隙的缝宽， 由于煤层中裂 隙的面多不平整 ， 因而， 测量中有较 大误 差， 通常宽度低于 0 5 m m的裂 隙是不易测量 的。 建议以煤层中裂隙中部的宽度代
6、表裂隙宽 度。对煤层 中裂隙宽度的观测 结果 表明， 同 一 组裂隙的宽度与其长度呈比例增长， 而且 在断层附近明显加大。裂隙宽度不仅是描述 其规模的重要因素， 而且是对孔隙度和渗透 率定量研究的重要数据。 ( 6 )裂隙密度 裂隙线密度简称裂隙密度， 是单位距 离 内裂隙发 育的条数 。在煤层 的剖面 上统 计 时 ， 裂隙密度包括各种成因的裂隙 ， 线密度较 大 ； 在煤层层面上统计时 ， 由于有些裂隙未切 穿煤岩分层 ， 裂隙密度值相对低一些。若要 对某一方向或某种特征的裂隙密度统计 ， 其 线密度会更小， 在煤 层剖 面中统计到的主要 为个体结构裂隙。 3 裂隙发育规律及影响因素 (
7、1 )煤岩性质 - 1 6 在相 同应力环境中， 由于岩石力学性 质 不同会发生不同的变形。脆性岩石抗剪强度 远大于抗拉 强度， 因而在脆性岩石中裂 隙长 度大而且较宽 ， 但分 布较稀 ， 塑性岩石则相 反 j 。不同的宏观煤 岩类型， 由于力学性质 的差异 ， 造成 同一煤层的不同煤分 层中裂 隙 发育密度明显不同， 统计结果( 表 2 ) 表明： 在 亮煤条带中的裂隙可以比暗煤条带中的裂隙 密度高几倍 ， 而在亮煤条带中的裂隙多 为分 层内裂隙 ， 发育密度虽大但切割煤层的高度 较小 ， 连通 较差。煤岩分层的厚度对裂 隙发 育密度也有影响， 同一位置相同煤岩类型 的 裂隙统计表明 ，
8、薄分层 的裂隙密度明显地高 于厚分层。其原因在于厚煤分层表现出较强 的力学性质 衰2 不同煤岩分层中的囊密度统计 条 ( 2 )煤岩分层在剖面中的位置 当煤层较厚时 ， 在煤层 剖面的上部与顶 板相接触及下部与底板相接触的一定厚度范 围内裂隙发育密度高； 煤层夹矸上、 下 一定厚 度范围内的裂 隙发育密度也高。煤层与顶 、 底板接触的地方为强弱岩层 的分界面 ， 在力 的作用下发生变形的首先是软弱岩层 ， 即煤 层 ， 因而在顶和底部煤分层 中裂 隙异常发育； 夹矸的上、 下煤分层受到力的作用 ， 由于煤层 的不均质性， 在夹矸附近易形成应力集中 ， 在 煤层中产生裂隙。若受到顺层剪切作用更
9、有 利于在这些部位形成裂隙 ( 3 )构造作用 维普资讯 煤炭工程师1 9 9 8年第 2 期 C O A L E N G E E R N o 2 1 9 9 8 在不同的构造部位， 由于构造应力场不 同， 岩石将发生不同的变形， 在背斜轴部顶层 和向斜轴部底层是构造裂隙发育密集 区， 有 多组张裂隙和 X 剪裂隙发育 ， 而且这些 构 造裂隙切穿厚度大， 有时切穿煤层形成小断 层 。 在煤层发生挠曲时， 煤层 中的构造裂隙 异常发育。对断层上盘 、 下盘煤层中裂隙的 统计结果( 表 3 ) 表明： 由于断层影响 ， 系统结 构裂隙发 育密度 可达 2 o条 m 而在远离断 层的地区， 在 l
10、 m距离内有时没有一条裂隙， 可见在断层带及其附近裂隙异常发育是造成 断层影响煤层瓦斯富集的重要方式。 衰 3 断层附近囊隙发育密度统计 条 m 矿 别巷 道鬈 量性质里 苎 里 苎 ! ( m) 2 8 3 4 4 5 5 6 ( 4 )工程因素 工程因素的影 响主要有两个方面 ： 一是 放炮作业产生的冲击力； 二是采掘工程中的 矿压显现过程。其作用结果不仅使原有裂隙 扩展 ， 而且生成新的裂隙， 促进煤层中瓦斯流 动， 有时导致煤与瓦斯突出。在煤层剖面中 统计的个体裂隙相 当多 ， 原 因是工程因素影 响。工程因素形成的裂隙与构造成因或上覆 地层压力造成的裂隙的重要区别租f工程裂 隙多为开
11、放性， 而且主要分布在煤层 揭露面 深度较小的范围内 随煤壁暴锫时间增长这 种裂隙发育条数增加。 4 结论 ( 1 )煤层宏观裂隙发育程度是影响煤层 瓦斯赋存条件的主要地质因素， 根据裂隙的 结构、 成因和分布规律可区分为个体结构和 系统结构两类 ， 在对煤层孔 晾度和渗透率评 价中二者有不同的作用。 ( 2 )个体结构裂隙受工程 因素影 响， 主 要分布于煤层暴露面的一定范围 内 有益 于 瓦斯的释放和涌出； 系统结构分布于煤层内， 不仅有利于瓦斯的释放 ， 而且更有助于瓦斯 的运移和富集。 ( 3 )煤层裂隙的形成不仅受地质因素的 影响， 而且受工程因素的影响 ， 因此， 在定量 研究煤层
12、裂隙渗透性时必须考虑工程因素对 裂隙发育程度的影响。 致谢研究工作是在韩德馨院士的指导 下完成， 得到了博士点基金“ 中国东部高瓦斯 突出矿井构造煤成因结构研究” 课题的资助， 在此表示感谢! 参考文献 1 龚锕延， 谢原定 岩石渗透率变化的实验研究 岩 石力学与 工程学报 ， 1 9 8 9 8 ( 3 ) ： 2 1 9 2 2 7 2 穆龙新 裂缝储层地质模 型 的建 立 石 油勘探 与 开发， 1 9 9 5 ， 2 2 ( 6 ) ： 7 8 8 2 3 田开铭 万力 ， 各 向异性裂 骧介质渗透 性的研究 与评价 北京 ： 学苑出版社 ， 1 9 8 9 作者简介 韩蕾 舅男， 3 0岁 ， 博 士后 研究 方向为矿山安垒与环 境工 程， 曾参加多项科研项 且， 发丧论 文 l 0余篇 地址 ： 北 京市学 院路 J l l号 ， 中国 矿韭大 学北 京研 究生 部； 邮码 ： 1 0 0 t 3 。 ( 责任编辑李发全) 维普资讯